卫星热分析建模方法研究
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摘要
本文以某卫星为模型，对卫星热分析建模方法进行了理论研究。本文建立了卫星的整体模型，选择了合适的热控措施，采用热网络法建立了卫星热网络数学模型，对卫星在轨飞行期间的温度水平进行分析和研究，计算结果表明，所采用的热控措施基本上达到了预期的目的。并且，本文建立了蜂窝材料的三维模型，采用数值解法计算蜂窝材料的有效导热系数，考虑了有效导热系数和温度之间的关系，分析了影响蜂窝材料有效导热系数的主要因素，通过和热阻法进行比较体现出数值解法的优势所在；建立了仪器板的三维模型，仪器板正反面利用前沿推进法生成非结构化网格，利用插值的方法对产生的错位网格进行了处理，考虑了仪器板上各向异性的特点，采用蒙特卡洛方法求解辐射交换系数，运用有限差分法计算仪器板的三维温度场，这两方面的工作和整星热分析计算有紧密的联系。
This thesis is aimed at establishing a numerical method for the thermal analysis of a satellite. The 3-D temperature model of the whole satellite is presented. According to the characteristic of the satellite, the measures of thermal control are selected. The method of thermal network is used to establish the thermal network model of the satellite and the temperature distribution of the whole satellite is calculated and analyzed, while the satellite is working in the space. The result indicates the use of the measures of thermal control arrive the anticipated aim.
Before the thermal analysis of the satellite, two aspects works had been done.
One is that the 3-D temperature model of honeycomb is proposed and applied to computing the effective thermal conductivity of honeycomb-structure materials. During the process of the calculation, the relationship of the temperature and the effective thermal conductivity is considered. Based upon the results, the major influence factors of the effective thermal conductivity are determined and the advantage of the numerical method can be seen when it is compared with the method of thermal resistance.
The other is that the 3-D temperature model of the mounting platform is built and the unstructured grid created by the advancing front method is applied to the faces of the mounting platform. The linear interpolation is used to deal with the staggered grid and the mounting platform anisotropy is considered. The Monte Carlo method is introduced to calculate the radiative transfer coefficient. The finite difference method is chosen to calculate the temperature distribution of the mounting platform.
These two aspects of work both are the absolutely necessarily parts of the thermal analysis of the whole satellite.
This thesis is aimed at establishing a numerical method for the thermal analysis of a satellite. The 3-D temperature model of the whole satellite is presented. According to the characteristic of the satellite, the measures of thermal control are selected. The method of thermal network is used to establish the thermal network model of the satellite and the temperature distribution of the whole satellite is calculated and analyzed, while the satellite is working in the space. The result indicates the use of the measures of thermal control arrive the anticipated aim.
Before the thermal analysis of the satellite, two aspects works had been done.
One is that the 3-D temperature model of honeycomb is proposed and applied to computing the effective thermal conductivity of honeycomb-structure materials. During the process of the calculation, the relationship of the temperature and the effective thermal conductivity is considered. Based upon the results, the major influence factors of the effective thermal conductivity are determined and the advantage of the numerical method can be seen when it is compared with the method of thermal resistance.
The other is that the 3-D temperature model of the mounting platform is built and the unstructured grid created by the advancing front method is applied to the faces of the mounting platform. The linear interpolation is used to deal with the staggered grid and the mounting platform anisotropy is considered. The Monte Carlo method is introduced to calculate the radiative transfer coefficient. The finite difference method is chosen to calculate the temperature distribution of the mounting platform.
These two aspects of work both are the absolutely necessarily parts of the thermal analysis of the whole satellite.
引文
1 闵桂荣．卫星热控制技术．北京：宇航出版社，1991．9
2 闵桂荣，郭舜．航天器热控制．北京：科学出版社，1998．7
3 胡金刚．中国航天器热控制技术进展．航天器工程，2001，10(1)
4 陶文铨．数值传热学(第2版)．西安：西安交通大学出版社，2001．5
5 李万林．DFH—2A通信卫星热控系统的设计改进．航天器工程，1993(1)
6 潘增富．整星稳态温度的热网络分析方法．中国空间科学技术，1987(6)
7 翁建华，潘增富．航天器热网络模型及其系数修正方法．中国空间科学技术，1995(4)
8 Shimoji S A. Comparision of Thermal Network Correction Methods. AIAA, 1981:81-1139.
9 石芳录，朱贤．蜂窝夹芯结构有效热导率分析模型的建立．低温工程，1993(1)
10 张建可．铝蜂窝复合材料x、y方向低温有效热导率的测试与研究．宇航学报，1991(1)
11 钱滨江，伍贻文，常家芳，丁一鸣．简明传热手册．北京：高等教育出版社，1984
12 杨世铭，陶文铨．传热学．北京：高等教育出版社，1998
13 胡金刚．中国航天器热控制技术进展．航天器工程，2001，10(1)
14 陶文铨．计算传热学的近代进展．北京：科学出版社，2000．6
15 孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用(第三版)．北京：科学出版社，1998．9
16 俞昌铭．热传导及其数值分析．北京：清华大学出版社，1981．12
17 张寅平，邱国权．蜂窝材料有效导热系数的通用计算法．太阳能学报，1997，18(4)
18 Zhang Yinping, Liang Xingang. Numerical analysis of effective thermal conductivity of mixed solid materials. Materials and Design, 1995, 16(2): 91-96
19 崔晓钰，翁建华，李美玲，刘剑军．航天器内仪器安装板的热分析计算．上海理工大学学报，2001，23(4)
20 周佐新，李劲东．具有多个热源的仪器安装板与仪器间的传热分析．航天器工程，1998，7(4)
21 张承宗．四边给定温度的各向异性矩形板稳态热传导解析研究．强度与环境，1998(2)
22 张承宗，杨光松．具有复杂边界条件的各向异性矩形板稳态热传导解析．上海航天，1997(6)
23 徐明海，陶文铨．非均质各向异性材料导热类问题的数值求解方法．石油大学学报(自然科学版)，1999，23(6)
24 Chambers R.L, Somers E V. Radiation fin efficiency for one dimensional heat flow in a circular fin. Journal of Heat Transfer.Trans, ASME, 1959:327-329
25 Bobco R P, Starkovs R P. Rectangular thermal doubler of uniform thickness. AIAA Journal, 1985, 23(12): 1970-1977
26 张承宗，王平．各向异性材料稳态热敏感性研究．纤维复合材料，1998(2)
27 翁建华，闵桂荣，潘增富等．利用稳态数据修正航天器热网络方程及其系数．工程热物理学报．1998，19(2)
28 李万林．航天器热分析的结点网络法．中国空间科学技术，1982，2(3)
29 翁建华，潘增富，闵桂荣．航天器实验模型的热网络分析．中国空间科学技术，1998．10
30 范显峰，姜兴渭．基于模型的卫星热控制系统温度预测与故障诊断．高技术通讯，2002．4
31 杨贤荣，马庆芳，原庚新，方荣生，杨耀华编．辐射换热角系数手册．国防工业出版社，1982：355—378和430
32 赵立新．轨道空间外热流计算的一种新方法．光学精密工程，1995，3(6)
33 尹增谦，管景峰，张晓宏，曹春梅．蒙特卡罗方法及应用．物理与工程，2002，12(3)
34 Lee, Jong Ho, Le Palec, Georges, Daguenet. Theoretical Study of Honeycomb Structure Collector for Space.Heating. Solar Energy, 1984, 32(3):349-356
35 Murer, Y.: Millan, P. Two-dimensional Modeling of Heat Transfer through Sandwich Plates with Inhomogeneous Boundary Conditions on the Faces. Journal of Heat Transfer, Transactions ASME, 1998, 120(3): 606-616.
36 Mark Milman, Walt Petriek. A note on the solution to a common thermal network problem encountered in heat-transfer analysis of spacecraft. Applied Mathematical Modelling, 2000 (24)
37 M. Ayres, D. L. Wait, T. Leb, M. Wiederholt. Simulation of large scale spacecraft power systems using sparse-matrix solution techniques. Advances in Engineering Software, 2000 (31): 593-598
38 Robert D. Karam. Satellite Thermal Control for Systems Engineers. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Ine, 1998
39 王武进．卫星热控设计中角系数自动计算的割分和判遮挡干扰的方法．宇航学报，1993(3)：104-108
40 李万林．DFH—2A 通信卫星热控系统的设计改进．航天器工程，1993(1)
41 翁建华，潘增富．航天器热网络模型及其系数修正方法．中国空间科学技术，1995(4)
42 赵立新．轨道空间外热流计算的一种新方法．光学精密工程，1995，3(6)
43 程惠尔，杨卫华，施金苗，方国隆．折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型．宇航学报，2002，23(1)
44 程惠尔，杨卫华，施金苗，方国隆．折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅱ)——计算结果和分析．宇航学报，2002，23(2)
45 杨卫华，程惠尔，李瑞样，王治易．抛罩—展开期间航天器太阳电池阵温度场的数值模拟．太阳能学报，2002，23(6)
46 孙风贤，夏新林，刘顺隆．航天器温度场的蒙特卡罗法计算．哈尔滨工程大学学报，2001，22(5)
47 过九镕．通信卫星的热控制技术．中国空间科学技术，1990(1)：45-51
48 麻慧涛，华城生．通信卫星平台热分析建模方法研究及温度预示．中国空间科学技术，2002(5)：54-60
49 张世杰，曹喜滨．卫星进／出地影位置和时间的计算算法．上海航天，2001(6)：19-22
50 彭成荣．大型通信卫星平台技术发展研究．航天器工程，2000，9(4)
51 成坷，李新中，束鹏程．蒙特卡洛法在辐射传热中的应用研究．西安理工大学学报，2002，18(1)：44-47
52 王武进．卫星热控设计中角系数自动计算的割分和判遮挡干扰的方法．宇航学报，1993(3)：104-108
53 Chao, B. T; Wedekind, G. L. Similarity Criteria for Thermal Modeling of Spacecraft. Journal of Spacecraft and Rockets, 1965, 2(2): 146-151
54 Y. Wang, K. Vafai. An experimental investigation of the thermal performance of an asymmetrical at plate heat pipe. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000(43): 2657-2668
55 David G. Gilmore. Spacecraft thermal control handbook(Second Edition), The Aerospace Press, EI Segundo, California, 2002
56 M.V. Papalexandris, M.H. Milman. Active control and parameter updating techniques for nonlinear thermal network models. Computational Mechanics, 2001 (27): 11-22
57 刘晓红，阮立明，谈和平．卫星的红外热像理论建模．目标于环境特性研究，2004(29)
58 过九镕．自旋稳定静止卫星热设计中若干问题的探讨．中国空间科学技术，
1989(2)
59 过九镕，邵兴国．消旋平台热控方案的初步探讨．航天器工程，1992(2)：29-35
60 江经善，实践四号卫星热设计及其实施．航天器工程，1995，4(2)
61 张桂兰，周佐新．中星22号通信卫星热设计．航天器工程，2002，11(1)
62 沈琮．中国国防科学技术报告．上海卫星工程研究所，1990．9
63 李希伦．返回式卫星主动段热设计．中国空间科学技术，1991，11(4)
64 潘增富．中巴地球资源卫星热控制技术．航天器工程，2002，11(2，3)
65 范含林．神舟号飞船热设计．航天器工程，2002，11(1)
66 候增祺．航天器热控制的等温化技术．航天器工程，1992(3)
67 李延东．模糊控制技术在卫星主动控温仪上的应用设想．航天器工程，1996，5(1，2)
2 闵桂荣，郭舜．航天器热控制．北京：科学出版社，1998．7
3 胡金刚．中国航天器热控制技术进展．航天器工程，2001，10(1)
4 陶文铨．数值传热学(第2版)．西安：西安交通大学出版社，2001．5
5 李万林．DFH—2A通信卫星热控系统的设计改进．航天器工程，1993(1)
6 潘增富．整星稳态温度的热网络分析方法．中国空间科学技术，1987(6)
7 翁建华，潘增富．航天器热网络模型及其系数修正方法．中国空间科学技术，1995(4)
8 Shimoji S A. Comparision of Thermal Network Correction Methods. AIAA, 1981:81-1139.
9 石芳录，朱贤．蜂窝夹芯结构有效热导率分析模型的建立．低温工程，1993(1)
10 张建可．铝蜂窝复合材料x、y方向低温有效热导率的测试与研究．宇航学报，1991(1)
11 钱滨江，伍贻文，常家芳，丁一鸣．简明传热手册．北京：高等教育出版社，1984
12 杨世铭，陶文铨．传热学．北京：高等教育出版社，1998
13 胡金刚．中国航天器热控制技术进展．航天器工程，2001，10(1)
14 陶文铨．计算传热学的近代进展．北京：科学出版社，2000．6
15 孔祥谦．有限单元法在传热学中的应用(第三版)．北京：科学出版社，1998．9
16 俞昌铭．热传导及其数值分析．北京：清华大学出版社，1981．12
17 张寅平，邱国权．蜂窝材料有效导热系数的通用计算法．太阳能学报，1997，18(4)
18 Zhang Yinping, Liang Xingang. Numerical analysis of effective thermal conductivity of mixed solid materials. Materials and Design, 1995, 16(2): 91-96
19 崔晓钰，翁建华，李美玲，刘剑军．航天器内仪器安装板的热分析计算．上海理工大学学报，2001，23(4)
20 周佐新，李劲东．具有多个热源的仪器安装板与仪器间的传热分析．航天器工程，1998，7(4)
21 张承宗．四边给定温度的各向异性矩形板稳态热传导解析研究．强度与环境，1998(2)
22 张承宗，杨光松．具有复杂边界条件的各向异性矩形板稳态热传导解析．上海航天，1997(6)
23 徐明海，陶文铨．非均质各向异性材料导热类问题的数值求解方法．石油大学学报(自然科学版)，1999，23(6)
24 Chambers R.L, Somers E V. Radiation fin efficiency for one dimensional heat flow in a circular fin. Journal of Heat Transfer.Trans, ASME, 1959:327-329
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26 张承宗，王平．各向异性材料稳态热敏感性研究．纤维复合材料，1998(2)
27 翁建华，闵桂荣，潘增富等．利用稳态数据修正航天器热网络方程及其系数．工程热物理学报．1998，19(2)
28 李万林．航天器热分析的结点网络法．中国空间科学技术，1982，2(3)
29 翁建华，潘增富，闵桂荣．航天器实验模型的热网络分析．中国空间科学技术，1998．10
30 范显峰，姜兴渭．基于模型的卫星热控制系统温度预测与故障诊断．高技术通讯，2002．4
31 杨贤荣，马庆芳，原庚新，方荣生，杨耀华编．辐射换热角系数手册．国防工业出版社，1982：355—378和430
32 赵立新．轨道空间外热流计算的一种新方法．光学精密工程，1995，3(6)
33 尹增谦，管景峰，张晓宏，曹春梅．蒙特卡罗方法及应用．物理与工程，2002，12(3)
34 Lee, Jong Ho, Le Palec, Georges, Daguenet. Theoretical Study of Honeycomb Structure Collector for Space.Heating. Solar Energy, 1984, 32(3):349-356
35 Murer, Y.: Millan, P. Two-dimensional Modeling of Heat Transfer through Sandwich Plates with Inhomogeneous Boundary Conditions on the Faces. Journal of Heat Transfer, Transactions ASME, 1998, 120(3): 606-616.
36 Mark Milman, Walt Petriek. A note on the solution to a common thermal network problem encountered in heat-transfer analysis of spacecraft. Applied Mathematical Modelling, 2000 (24)
37 M. Ayres, D. L. Wait, T. Leb, M. Wiederholt. Simulation of large scale spacecraft power systems using sparse-matrix solution techniques. Advances in Engineering Software, 2000 (31): 593-598
38 Robert D. Karam. Satellite Thermal Control for Systems Engineers. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Ine, 1998
39 王武进．卫星热控设计中角系数自动计算的割分和判遮挡干扰的方法．宇航学报，1993(3)：104-108
40 李万林．DFH—2A 通信卫星热控系统的设计改进．航天器工程，1993(1)
41 翁建华，潘增富．航天器热网络模型及其系数修正方法．中国空间科学技术，1995(4)
42 赵立新．轨道空间外热流计算的一种新方法．光学精密工程，1995，3(6)
43 程惠尔，杨卫华，施金苗，方国隆．折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型．宇航学报，2002，23(1)
44 程惠尔，杨卫华，施金苗，方国隆．折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅱ)——计算结果和分析．宇航学报，2002，23(2)
45 杨卫华，程惠尔，李瑞样，王治易．抛罩—展开期间航天器太阳电池阵温度场的数值模拟．太阳能学报，2002，23(6)
46 孙风贤，夏新林，刘顺隆．航天器温度场的蒙特卡罗法计算．哈尔滨工程大学学报，2001，22(5)
47 过九镕．通信卫星的热控制技术．中国空间科学技术，1990(1)：45-51
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49 张世杰，曹喜滨．卫星进／出地影位置和时间的计算算法．上海航天，2001(6)：19-22
50 彭成荣．大型通信卫星平台技术发展研究．航天器工程，2000，9(4)
51 成坷，李新中，束鹏程．蒙特卡洛法在辐射传热中的应用研究．西安理工大学学报，2002，18(1)：44-47
52 王武进．卫星热控设计中角系数自动计算的割分和判遮挡干扰的方法．宇航学报，1993(3)：104-108
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54 Y. Wang, K. Vafai. An experimental investigation of the thermal performance of an asymmetrical at plate heat pipe. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000(43): 2657-2668
55 David G. Gilmore. Spacecraft thermal control handbook(Second Edition), The Aerospace Press, EI Segundo, California, 2002
56 M.V. Papalexandris, M.H. Milman. Active control and parameter updating techniques for nonlinear thermal network models. Computational Mechanics, 2001 (27): 11-22
57 刘晓红，阮立明，谈和平．卫星的红外热像理论建模．目标于环境特性研究，2004(29)
58 过九镕．自旋稳定静止卫星热设计中若干问题的探讨．中国空间科学技术，
1989(2)
59 过九镕，邵兴国．消旋平台热控方案的初步探讨．航天器工程，1992(2)：29-35
60 江经善，实践四号卫星热设计及其实施．航天器工程，1995，4(2)
61 张桂兰，周佐新．中星22号通信卫星热设计．航天器工程，2002，11(1)
62 沈琮．中国国防科学技术报告．上海卫星工程研究所，1990．9
63 李希伦．返回式卫星主动段热设计．中国空间科学技术，1991，11(4)
64 潘增富．中巴地球资源卫星热控制技术．航天器工程，2002，11(2，3)
65 范含林．神舟号飞船热设计．航天器工程，2002，11(1)
66 候增祺．航天器热控制的等温化技术．航天器工程，1992(3)
67 李延东．模糊控制技术在卫星主动控温仪上的应用设想．航天器工程，1996，5(1，2)